淺談新疆波波娜高水頭引水式水電站充水實踐

張振杰

(新華水力發(fā)電有限公司 北京 100070)

1 前言

位于新疆和田喀拉喀什河上的波波娜水電站是新疆電網重要的電源點，于2006年年底開工建設，2011年4月三臺機組全部并網投入運行。對于長距離高水頭引水式電站來說，其充水程序的制定、組織機構的建立和過程控制，對水電站建設和投運十分重要。波波娜水電站通過科學管理，實現了預期目標，其充水方案對類似工程很有借鑒意義。

2 工程概況

2.1 主要建筑物

波波娜水電站位于新疆和田地區(qū)喀拉喀什河上，為引水式電站。波波娜水電站工程由攔河壩、泄水建筑物和發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成，其電站裝機容量150MW，保證出力34.8MW，多年平均有效發(fā)電量6.66億kW·h。大壩采用混合壩，攔河壩總長456m，重力壩段布置有表孔溢洪道、泄洪沖沙底孔。發(fā)電引水系統(tǒng)主要由進口引水渠、進水口、引水隧洞、調壓井、壓力管道、岔管、支管組成，引水系統(tǒng)采用一洞三機聯合供水的布置型式，電站共三臺機組，設計引用流量70.2m3/s，額定水頭 242.0m，整個引水系統(tǒng)總長12.485km，在引水隧洞末端11.627m處布設調壓井，壓力管道長843.5m，斜井段傾角為500。

調壓井為帶上室阻抗式，豎井高59.3m，斷面面積90m2。上室為矩形斷面，高度 26.5m，斷面面積為630m2。在調壓井后部布設檢修閘井。檢修門后部設1.65m ×0.8m 的通氣孔。

發(fā)電廠房為引水式地面廠房，廠房由主廠房和副廠房組成。主機間內共布置三臺單機容量為50MW的水輪發(fā)電機組(SF50—14/4250)。

尾水平臺布置尾水閘門啟閉設備，尾水門機軌距3m。尾水閘孔口高3.869m，寬3.942m，共3孔，尾水閘墩后接反坡段。

2.2 安全監(jiān)測

波波娜水電站安全監(jiān)測埋設的觀測儀器有雙向應變計、無應力計、溫度計、鋼筋計、測縫計、滲壓計、揚壓力計、壩面標點及鋼板計等九種儀器，總量為246支/組。按照儀器分布區(qū)域，觀測站設六個觀測點，壩區(qū)設三個觀測點，重力壩、面板壩和進水口各設一個觀測點，壩區(qū)設一個中轉機，將三個測點通過光纜進入中轉機端口，再由中轉機通過光纜引入中控室監(jiān)測系統(tǒng)。調壓井設一個觀測站，使用無線發(fā)射傳送信號。發(fā)電廠觀測信號通過電纜直接接入監(jiān)測系統(tǒng)。

3 發(fā)電引水洞、機組蝸殼尾水管具備充水的要求

3.1 工程設計

重力壩、面板壩、進水口、發(fā)電引水洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ標、調壓井、廠房、牧道、1號路橋、安全監(jiān)測、機電安裝、消防設計圖紙已全部提供。所有在建工程設計變更已出具。主要隱蔽工程、重要單項工程、分部工程驗收均參加并在驗收書上簽字。水庫調度運行計劃已提供。下閘蓄水階段驗收設計工作報告已提供。

3.2 工程施工

大壩區(qū)域:重力壩混凝土、灌漿已完成，溢流表孔和泄洪沖砂底孔閘門、啟閉機已安裝完成并進行了無水調試。面板壩面板、防浪墻、壩頂道路混凝土、灌漿均已完成，庫區(qū)清理已完成。

進水口區(qū)域:引渠、閘井、沖沙閘井、沖沙涵管、底板灌漿已完成，進水口事故閘門及固定式卷揚機、攔污柵、擋水門、門機、沖沙閘工作閘門和事故閘門、固定式卷揚機已安裝完成并無水調試。

發(fā)電引水洞區(qū)域:所有洞襯混凝土、灌漿已完成，支洞封堵混凝土、灌漿已完成。

調壓井區(qū)域:壓力鋼管及回填混凝土、灌漿，調壓井豎井及上室混凝土及灌漿已完成，事故檢修閘門及固定式卷揚機安裝完成并無水調試。

廠房區(qū)域:主副廠房、尾水反坡和尾水渠、主變基礎混凝土，主副廠房裝修完成，1號、2號、3號水輪發(fā)電機組及勵磁、調速器、機旁盤、測量、監(jiān)控、保護盤柜，1號、2號、3號主變，主廠房橋式起重機，1號、2號、3號球閥及附屬電控、水控柜、液壓站安裝完成，1號、2號機組自控流程已完成調試。

4 工程驗收

波波娜水電站實際89個分部已完成分部工程驗收，大壩下閘蓄水、引水洞通水階段驗收通過。充水前工程缺陷處理已完成。

5 組織機構

成立波波娜水電站水庫蓄水和引水系統(tǒng)充水指揮部:下設水工專業(yè)組、機電專業(yè)組、安全監(jiān)測組、后勤保障組。人員配置為總指揮一人，副總指揮五人，成員由業(yè)主、設計、監(jiān)理、運行、施工單位及廠家代表等若干人組成。

6 充水前須完成的工作

充水前須完成的工作見表1。

表1 水庫蓄水及發(fā)電引水洞、機組蝸殼尾水管充水前須完成工作一覽表

續(xù)表

以上水庫蓄水及發(fā)電引水洞充水前須完成的工作，應經“充水與機組啟動前專項驗收小組”組織的驗收并通過。

7 水庫蓄水及機組試運行充水控制

根據《新疆和田喀拉喀什河波波娜水電站工程防洪度汛與初期蓄水報告》，控制波波娜水電站蓄水進度的主要因素是面板壩日上升水位的要求，本次蓄水日上升水位按照2m控制，表孔閘門開度根據水位～流量～開度關系曲線來進行控制。

7.1 水庫蓄水及機組試運行充水控制流程如下:

發(fā)電引水洞及壓力鋼管充水操作流程見表2:

表2 發(fā)電引水洞及壓力鋼管充水操作流程

續(xù)表

水庫蓄水操作流程見表3:

表3 水庫蓄水操作流程

上述操作流程根據充水指揮部總指揮的命令，由施工責任人指定操作人和監(jiān)護人按操作票的有關程序和要求進行操作。

充水程序包括:水輪發(fā)電機組尾水充水、水庫蓄水、調壓井前引水洞充水和調壓井后的壓力鋼管充水四個步驟。水庫蓄水及發(fā)電引水洞充水整個過程約需9天完成。步驟如下:

7.2 尾水管充水

根據現場實際情況，確定采用消防水管對機組進行尾水管充水。充水步驟如下:

a.利用消防給水管向檢修集水廊道內充水，充至起泵水位后停止，然后利用檢修泵向尾水反坡內充水，直至1591.891m停止以上工作。

b.利用尾水管平壓充水閥將尾水管內充滿，再打開蝸殼排水閥將蝸殼內充滿，尾水反坡內水位為1591.891m，尾水管充水結束。

c.在充水過程中隨時檢查水輪機頂蓋、導水機構、主軸密封、測壓系統(tǒng)管路、尾水管進人門等處的漏水情況，記錄測壓表讀數。

7.3 水庫蓄水

a.水庫蓄水計劃分三個階段。第一階段蓄水至1848.20m后開啟沖沙閘;第二階段蓄水在壓力鋼管充水完成后，進行庫區(qū)蓄水至1850.00m水庫死水位工作;第三階段蓄水在機組調試階段進行蓄水至正常蓄水位1855.00m工作。

b.在滿足條件的前提下，發(fā)電洞進水口事故檢修門完全關閉，沖沙閘工作門完全關閉，調壓井檢修門閘門關閉。并取得蓄水、充水前的初始觀測數據。

c.水庫蓄水至1848.20m時，利用兩個表孔溢洪道(表孔堰頂工程1848.20m，閘門均開啟，不控制水流)，調節(jié)水庫水位。庫水位保持在1848.20～1848.50m之間。水庫蓄水時要注意觀察發(fā)電洞進水口事故檢修門漏水量，并根據發(fā)電洞進水口事故檢修門漏水情況進行評估。

d.水庫蓄水至1848.20m時停止第一階段蓄水工作，此時開啟沖沙閘進行沖沙，清除蓄水時發(fā)電引水洞攔沙坎前淤積的泥沙。庫水位由底孔工作門進行下閘調控，以保持庫水位不變。如上游來水較大可同時利用沖沙閘和底孔進行聯合調控，沖沙時保持庫水位不變。

e.發(fā)電洞進水口沖沙閘出水水質與庫水基本一致時，關閉發(fā)電洞進水口沖沙閘，關閉調壓井檢修閘門，關閉3號支洞進人門，進行事故檢修門的動水啟閉試驗，具體操作為小開度(約50mm，根據現場試驗后確定)開啟進水口閘門向引水洞充水，注意觀察閘門及啟閉機運行情況，如閘門抖動厲害，應適當調整閘門開度。充水3min后，關閉進水口閘門，以確認進水口閘門可以動水閉門。如閘門動水閉門正常后，繼續(xù)進行發(fā)電引水洞第一階段充水工作。

7.4 調壓井前發(fā)電引水洞充水

本次發(fā)電引水洞充水分三步進行控制。第一次充水閘門開度在50mm，流量約1.9m3/s左右，充至發(fā)電引水洞及調壓井總容積的30%，水位控制在1822.70m高程，充水約需時12h 20min。第二次充水閘門開度在100mm，流量約3.8m3/s左右，充至發(fā)電引水洞及調壓井總容積的80%，水位控制在1838.00m高程，充水約需時10h 20min。第三次充水開度在200mm，流量控制在7.5m3/s以內，充至發(fā)電引水洞及調壓井總容積的100%，水位控制在 1848.20m高程，充水約需時2h 10min。

a.發(fā)電引水洞充水前，再次確認調壓井檢修閘門關閉，沖沙閘工作門完全關閉，3號支洞進人門完全關閉，發(fā)電引水洞進水口事故閘門開啟，流量控制在2m3/s左右。

b.發(fā)電引水洞充水時，由泄洪沖沙底孔工作閘門(必要時啟動沖沙閘工作門)進行下閘調控，保持庫水位不變。

c.調壓井前引水洞充水操作步驟:

?第一次充水，庫水位蓄至1848.20m后開啟沖沙閘進行沖沙，沖沙完成后，開啟進水口事故閘門并待動水試驗合格后充水。第一次充水閘門開度在50mm，流量約1.9m3/s左右，充水時，觀察事故閘門前的水位上升和閘門及啟閉機運行情況，如閘門抖動厲害，可適當調整閘門開度或調整為間歇式充水。水位控制在1822.70m高程，約需時 12h 20min停止充水，保壓12h，記錄觀測數據，監(jiān)視各部位是否正常;

?第二次充水，根據第一次充水各部位情況進行的檢查結果進行，如檢查結果無問題，進行第二次充水，第二次充水閘門開度在100mm，流量約3.8m3/s左右，此次充水，應繼續(xù)觀察事故閘門前的水位上升和閘門及啟閉機運行情況，此次充水水位控制在1838.00m高程，充水約需時10h 20min停止充水，保壓12h，記錄觀測數據，監(jiān)視各部位是否正常;

?第三次充水，根據第二次充水各部位情況進行的檢查結果進行，第三次充水閘門開度在0.20m，流量控制在7.5m3/s以內，充水至庫水位1848.20m，約需時2h 10min停止，保壓24h，記錄觀測數據，并監(jiān)視各部位是否正常;

?在發(fā)電引水洞充水和保壓觀測中，注意觀察重力壩、面板壩、調壓井前引水洞、各施工支洞及施工支洞堵頭、發(fā)電引水洞沖溝段邊坡、山體滲漏情況。如發(fā)現面板壩、發(fā)電引水洞沿線滲漏、邊坡變形、失穩(wěn)，支洞封堵門變形、滲漏量大，施工支洞堵頭滲漏量大，觀測數據偏離正常范圍等異常情況，應立即報告，指揮部采取相應處理措施;

?發(fā)電引水洞系統(tǒng)充水及保壓觀測期間，在發(fā)電引水洞系統(tǒng)的沿線，指揮部要安排由副指揮長帶隊的安全監(jiān)測組進行觀測和巡視，將獲取的信息第一時間報給指揮部;

?經對發(fā)電引水洞充水的情況進行檢查，結果正常，即對發(fā)電洞進水口事故檢修門進行靜水試驗。靜水試驗合格后，提起發(fā)電洞進水口事故檢修門并鎖定。然后進行壓力管道的充水。

7.5 壓力鋼管洞充水

a.發(fā)電引水洞充水完成后，對壓力管道充水。由于壓力鋼管管道長而且水頭高，整個壓力管道充水分4個階段進行。充水時，打開調壓井事故閘門充水閥對壓力鋼管進行充水，根據球閥前壓力表讀數判斷充水的進展，注意監(jiān)視機組球閥前的壓力上升情況和機組球閥的漏水情況，并對機組球閥的漏水情況進行測量。

b.壓力鋼管道充水四個階段劃分如下:

?壓力鋼管道第一次充水時，調壓井事故閘門充水閥打開60mm對壓力鋼管進行充水，當壓力鋼管道前的壓力表達到0.6MPa時，時間約11h 10min停止充水，保壓12h，并監(jiān)視機組球閥前后檢修密封和工作密封的漏水情況。應注意監(jiān)視機組球閥前的壓力上升情況和機組球閥的漏水情況。記錄壓力鋼管監(jiān)測數據，并對機組球閥的漏水情況進行測量;

?壓力管道第二次充水:第一次充水后各部位檢查結果正常，進行壓力管道第二次充水，調壓井事故閘門充水閥仍打開60mm對壓力鋼管進行充水，當壓力鋼管道前的壓力表達到1.2MPa時，時間約1h 30min停止充水，同時繼續(xù)觀察機組球閥前后檢修密封和工作密封的漏水情況，保壓12h并監(jiān)視各部位是否正常。對3臺機組球閥的漏水情況進行測量，同時監(jiān)視伸縮節(jié)漏水情況，記錄壓力鋼管監(jiān)測數據;

?壓力管道第三次充水:第二次充水后各部位檢查結果正常，進行壓力管道第三次充水，調壓井事故閘門充水閥仍打開60mm對壓力鋼管進行充水，當壓力鋼管道前的壓力表達到1.8MPa時，時間約1h 30min停止充水，同時繼續(xù)觀察機組球閥前后檢修密封和工作密封的漏水情況，保壓12h并監(jiān)視各部位是否正常。并對3臺機組球閥的漏水情況進行測量，同時監(jiān)視伸縮節(jié)漏水情況，記錄壓力鋼管監(jiān)測數據;

?壓力管道第四次充水:第三次充水后各部位檢查結果正常，進行壓力管道第四次充水，調壓井事故閘門充水閥仍打開60mm對壓力鋼管進行充水，當壓力鋼管道前的壓力表達到2.3MPa時，時間約1h 50min停止充水，保壓24h并監(jiān)視各部位是否正常。同時對3臺機組球閥的漏水情況進行測量，監(jiān)視伸縮節(jié)漏水情況，記錄壓力鋼管監(jiān)測數據。

c.當壓力鋼管水充滿后，檢查3臺機組球閥漏水量合格后，調壓井事故門處于平壓時，對調壓井事故閘門進行靜水試驗，靜水試驗合格后，提起調壓井事故閘門并鎖定于1859m平臺。

7.6 水庫蓄水至1850m

a.水庫蓄水至1850m時，具備機組初步調試條件。此時，派專門人員分三班24h監(jiān)測庫區(qū)水位，確保庫區(qū)水位保持1850m基本不變。同時，安全監(jiān)測組分組加強對大壩、發(fā)電引水洞系統(tǒng)的沿線進行巡視觀測，并把觀測到的情況定時或不定時地報告給指揮部，記錄觀測數據。

b.各部位檢查結果正常，即進行機組有水調試工作，機組調試按施工單位編寫的《1號機組啟動試運行方案》執(zhí)行。

7.7 水庫蓄水至1855m

當機組有水調試完成后，水庫蓄水至1855m。安全監(jiān)測組分組加強對大壩、發(fā)電引水洞系統(tǒng)的沿線進行巡視觀測，并把觀測到的情況定時或不定時地報告給指揮部，記錄觀測數據。

8 充水中應重點監(jiān)視的部位

在充水過程中應重點監(jiān)視水工建筑物、發(fā)電引水洞進水口事故檢修門、調壓井檢修閘門、調壓井檢修閘門、機組進水球閥、伸縮節(jié)、水輪機導葉等設備及部位的漏水情況。

9 水庫蓄水和發(fā)電引水洞充水應急措施

a.水庫蓄水時如發(fā)生發(fā)電引水洞進水口事故閘門不能開啟或關閉，則加大泄洪沖沙底孔開度，排泄庫區(qū)蓄水。

b.在向壓力管道充水時，先開啟調壓井事故閘門充水閥約50mm，開啟3min后進行動水關閉試驗，無異常時即可進行充水。如充水閥不能關閉，則立即關閉發(fā)電引水洞進水口事故閘門，并打開球閥旁通閥，利用蝸殼排空閥進行排水。

10 水庫蓄水和發(fā)電引水洞充水通信聯絡

a.指揮部設在主廠房中控室。現場指揮部、監(jiān)理處均有人員24h值班。

b.業(yè)主、設計、監(jiān)理、運行、施工單位、及廠家代表等有關人員手機24h開機，電話號碼統(tǒng)一上報指揮部，由指揮部統(tǒng)一下發(fā)給指揮部下設的專業(yè)組。

c.總指揮、副總指揮，水工專業(yè)組、機電專業(yè)組、安全監(jiān)測組、后勤保障組長配備對講機。

d.大壩、進水口、廠房、各施工支洞及沖溝檢查采用對講機與手機的聯絡方式。

11 安全措施

a.人身安全:各現場部位檢查人員必須注意安全，尤其是對邊坡、沖溝等危險部位檢查，應有兩人以上同行，并保證所到部位的通信聯絡。

b.發(fā)電引水洞充水前，發(fā)電引水洞進水口平臺上要撤走無關人員和無關設備。

c.充水前應對所有的車輛進行全面檢查，確保車輛運輸的安全。

d.帶電部位須為專業(yè)人員進行操作，配電盤柜操作人員在作業(yè)前，戴好絕緣手套，作業(yè)前先測試盤柜的絕緣情況。

e.大壩、調壓井、廠房所有孔洞處用蓋板封堵，并設置護欄。必須進入孔洞作業(yè)時，先將照明投上，作業(yè)人員佩戴好安全帶或安全繩再行實施。安全員在孔口監(jiān)視，發(fā)生異常及時撤離。

f.充水出現異常情況時，由指揮長下令啟動安全應急方案。

12 充水巡視車輛、后勤保障及配備物資

a.業(yè)主、運行、設計、監(jiān)理、施工、廠家等單位均應配備足夠的車輛參加水庫蓄水和發(fā)電引水洞系統(tǒng)充水。

b.搶險物資配置:大壩重力壩處設200kW柴油發(fā)電機1臺，進水口設50kW柴油發(fā)電機1臺。調壓井處設75kW柴油發(fā)電機1臺;調壓井配置氣腿鉆2臺，灌漿設備2套，作業(yè)人員15人;廠房區(qū)域配置260kW潛水泵9臺;各標段均有鐵鍬、手電、雨靴、編織袋等防汛物資，滿足要求;后勤保障:準備一定數量的檢查人員所必需的礦泉水、干糧、常用藥品等，并定時送飯。

13 結論與體會

a.對于長距離、高水頭引水式電站的充水方案制定，要特別注意分階段分步驟進行充水和測試。

b.對于水庫下閘蓄水、尾水及蝸殼充水、上游引水隧洞及壓力鋼管充水，要在充水前按充水管理單位審核后的充水檢查票進行檢查，按審核后的充水操作票進行操作，嚴格執(zhí)行兩票及監(jiān)護復誦制度。

c.對于高風險的操作要采取降低風險措施。尤其對于發(fā)生概率小，但一旦發(fā)生風險很大的風險要制定詳細的預案。

d.充水過程全方位、全過程統(tǒng)一指揮，分步按操作票列出，逐項執(zhí)行。各崗位明確責任，值班記錄齊全。?